交替光源X射线螺旋CT采样方法及装置与流程
本发明涉及辐射成像技术领域，特别涉及一种交替光源x射线螺旋ct采样方法及装置。
背景技术：
x射线ct成像系统利用x射线穿过物体时在物体中衰减的特性，对物体透视成像。其在医疗、安检、工业检测等领域中都有着广泛的应用。1972年hounsfield设计出第一台平行束ct对物体的一个断层扫描成像。平行束ct仅使用一个光源和一个探测器，在每一个角度的数据采集过程中，探测器和光源沿着扫描圆轨道切向移动如图1(a)所示，这种扫描方式实现了标准的平行束ct数据采集方式，但一个断层的扫描时间长达数小时。在第一代平行束ct的基础上，断层扫描方法逐渐改进，扇束ct如图1(b)所示成为断层扫描的常用扫描方式。在扇束ct中，完整覆盖感兴趣区域的探测器阵列替代了平行束ct中的单一探测器。断层扫描过程中，扇束ct的光源仅在圆轨道上旋转，每个角度数据采集过程中不再有光源和探测器的平移运动，扇束ct将数据采集结构由平行束变为扇束并显著缩短扫描时间。
随着技术发展，三维ct扫描技术逐渐成熟。锥束ct在扇束ct的基础之上发展而来，锥束ct的光源仍然为单个光源，面阵列探测器取代扇束ct中的线探测器阵列，在每一个角度下，面探测器阵列同时对一个锥角内数据进行采集。对于锥束ct，光源和探测器在扫描过程中围绕固定旋转轴旋转，定义旋转轴方向为z方向，而与转轴垂直的平面为一系列断层平面。
常见的三维锥束ct扫描方式包括圆轨道锥束扫描和螺旋轨道锥束扫描两种形式。在圆轨道锥束扫描中，光源仅在中心层圆轨道上旋转一周，获得每一角度下的锥束投影数据，其如图1(c)所示。圆轨道锥束ct得到的投影数据对于三维体重建是不完备的，仅可在锥角较小时近似重建被扫描物体。螺旋ct也采用面阵列探测器，所不同的是光源和探测器在扫描过程中沿着螺旋线在z方向逐渐前进，扫描一个体数据，光源旋转数周，如图1(d)所示。螺旋扫描方式可以获得完备的数据重建三维物体，并且被扫描物体的z方向尺度不受面探测器阵列高度限制。
从断层平行束扫描至螺旋锥束扫描，对三维物体的扫描效率显著提升，但同时，采集的数据分布结构逐渐变化，导致重建后图像的精度受到影响。扇束ct采样点在平行束数据空间不均匀分布，部分物理信息损失。而螺旋锥束ct通常采用fdk方法解析重建，每一个断层重建所用射线与断层平面存在一定的倾角，进一步扩大了重建误差。
技术实现要素：
本申请是基于发明人对以下问题的认识和发现做出的：
螺旋ct在临床医学，安全检查和工业检测中有着广泛应用。传统螺旋ct由于采集数据分布不均匀，断层重建时所用射线与断层平面存在一定倾角等原因导致重建图像细节精度受到损失，同时重建图像存在部分伪影，一定程度上影响到重建图像使用价值。本发明实施例所提出的交替光源螺旋ct采用一系列周期性快速切换的光源系统替代原先位置唯一的固定光源，使螺旋扫描获得数据分布更为合理，增加其中所含物理信息量，最终获得高质量重建图像。本发明实施例所述交替光源ct方法基于螺旋ct应用背景提出，该交替光源ct方法也可应用于其他ct技术中如圆轨道锥束ct扫描，能谱ct等，使三维采集数据分布更为合理。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种交替光源x射线螺旋ct采样方法，该方法可以使螺旋扫描采集数据分布更为合理，增加采集数据中所包含物理信息，在重建后可获得精度更高的重建图像，简单易实现，且可应用于无损检测、医疗诊断、安检等多个领域。
本发明的另一个目的在于提出一种与方法对应的交替光源x射线螺旋ct采样装置。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种交替光源x射线螺旋ct采样方法，包括以下步骤：在螺旋旋转扫描过程中，控制每个光源按预设顺序依次迅速交替周期性切换，使得每个数据采集角度下仅有一个光源处于发射x射线状态；获取螺旋锥束ct的采集数据，并可在基准空间对采集数据几何分布分析；根据所述采集数据进行螺旋ct重建，重建后可获得精度更高的重建图像。
另外，根据本发明上述实施例的交替光源x射线螺旋ct采样方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制每个光源按预设顺序依次迅速交替周期性切换，包括：采用一台x射线光机并对其发射x射线分光，使x射线从数个预设位置发射；并且在使用其中一支路射线时，使用铅层遮挡其他分支，通过调整铅层遮挡情况进行和光源的交替切换；或者，采用多头光源技术，从多个预设位置按设定顺序产生x射线。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述采集数据进行螺旋ct重建，包括：将交替光源螺旋ct数据映射到基准空间，并通过插值方法获得每一断层平行束ct数据，逐断层实施平行束ct解析重建，得到所述重建图像。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述采集数据进行螺旋ct重建，包括：对每一个光源扫描获得的数据子集分别进行fdk重建，其中，通过将各光源fdk重建图像叠加，得到所述重建图像。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述采集数据进行螺旋ct重建，包括：在扫描中，根据系统矩阵采用统计迭代算法对三维图像重建，得到所述重建图像。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述采集数据进行螺旋ct重建，包括：利用大量样本以有监督/无监督的方式训练针对具体系统的重建神经网络，利用训练后的神经网络进行三维图像重建。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种交替光源x射线螺旋ct采样装置，包括：控制模块，用于在螺旋旋转扫描过程中，控制每个光源按预设顺序依次迅速交替周期性切换，使得每个数据采集角度下仅有一个光源处于发射x射线状态；获取模块，用于获取螺旋锥束ct的采集数据，并可在基准空间对采集数据几何分布分析；重建模块，用于根据所述采集数据进行螺旋ct重建，得到重建图像。
另外，根据本发明上述实施例的交替光源x射线螺旋ct采样装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制模块进一步用于采用一台x射线光机并对其发射x射线分光，使x射线从数个预设位置发射；并且在使用其中一支路射线时，使用铅层遮挡其他分支，通过调整铅层遮挡情况进行和光源的交替切换；或者，采用多头光源技术，从多个预设位置按设定顺序产生x射线。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述重建模块进一步用于将交替光源螺旋ct数据映射到基准空间，并通过插值方法获得每一断层平行束ct数据，逐断层实施平行束ct解析重建，得到所述重建图像；或者，对每一个光源扫描获得的数据子集分别进行fdk重建，其中，通过将各光源fdk重建图像叠加，得到所述重建图像。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述重建模块进一步用于在扫描中，根据系统矩阵采用统计迭代算法对三维图像重建，得到所述重建图像；或者，在扫描中，利用大量样本以有监督/无监督的方式训练针对具体系统的重建神经网络，利用训练后的神经网络进行三维图像重建。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为相关技术的ct扫描系统结构/扫描方式示意图；
图2为根据本发明实施例的交替光源x射线螺旋ct采样方法的流程图；
图3为根据本发明实施例的交替光源螺旋ct系统结构示意图；
图4为根据本发明实施例的螺旋ct射线参数示意图；
图5为根据本发明实施例的一种轴向交替光源螺旋ct系统实施示意图；
图6为根据本发明实施例的交替光源螺旋ct系统采集数据分布示意图；
图7为根据本发明实施例的断层内交替光源螺旋ct系统结构实施示意图；
图8为根据本发明实施例的交替光源x射线螺旋ct采样装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的交替光源x射线螺旋ct采样方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的交替光源x射线螺旋ct采样方法。
图2是本发明一个实施例的交替光源x射线螺旋ct采样方法的流程图。
如图2所示，该交替光源x射线螺旋ct采样方法包括以下步骤：
在步骤s201中，在螺旋旋转扫描过程中，控制每个光源按预设顺序依次迅速交替周期性切换，使得每个数据采集角度下仅有一个光源处于发射x射线状态。
其中，在本发明的一个实施例中，控制每个光源按预设顺序依次迅速交替周期性切换，包括：采用一台x射线光机并对其发射x射线分光，使x射线从数个预设位置发射；并且在使用其中一支路射线时，使用铅层遮挡其他分支，通过调整铅层遮挡情况进行和光源的交替切换；或者，采用多头光源技术，从多个预设位置按设定顺序产生x射线。
可以理解的是，本发明实施例可以采用多头的光源，从多个预设位置顺序出束，这种情况不需要铅板遮挡；另一个情况是多个位置的光源连续出束，此时需要使用铅版遮挡使得只有一个光源位置的束流有效。
具体而言，本发明实施提出一种交替光源螺旋ct扫描系统，如图3所示，交替光源螺旋ct系统含有多个x射线光源，这些光源位置相近而面阵列探测器与螺旋ct完全相同。在螺旋旋转扫描过程中，各光源按顺序依次迅速交替周期性切换，每个数据采集角度下仅有一个光源处于发射x射线状态。若扫描系统旋转一周需要tr秒，一周共采样na个角度，则由一个光源切换到下一个光源的时间设为tr/na秒，相邻角度下使用不同的光源进行扫描。若共有ns个光源，则由第一个光源获取的投影数据为
在系统构建时，可以有多种易实现的方式构建交替光源ct系统，如采用一台x射线光机并对其发射x射线分光，使x射线从数个相近位置发射。在使用其中一支路射线时，使用铅层遮挡其他分支，通过调整铅层遮挡情况实现光源的交替切换。
在步骤s202中，获取螺旋锥束ct的采集数据，并可在基准空间对采集数据几何分布分析。
具体而言，本发明实施例进行数据采样点分析，具体地：
逐断层平行束ct扫描是三维物体扫描的基本方式，其由radon变换理论直接推导而来，将逐断层平行束ct数据空间作为分析采集数据的基准空间，在文中简称基准空间。
该基准空间为一个三维空间，其三个维度分别为：射线到转轴距离t，射线在断层平面内倾角theta，以及射线的高度z。基准空间内的每一点对应逐断层平行束扫描的一条投影射线。螺旋锥束ct的采集数据并不能完全映射到该基准空间，这是由于螺旋扫描中存在锥角，射线与断层平面存在微小夹角，若忽略该微小夹角并计算射线距转轴最近点处的高度作为z，则交替光源螺旋ct中每一条数据采集射线可唯一映射为基准空间中的一点。
在设计交替光源锥束ct系统时，可通过仿真程序首先验证交替光源螺旋ct是否合理，计算螺旋扫描中每一条射线在断层平面内的倾角theta，距转轴的垂直距离t，以及至转轴最近点的高度z,从而将螺旋扫描中所有射线完全映射到基准空间中(如图4所示)。若采样点在感兴趣区域(fov)内均匀的分布，则该交替源ct设计方案较为合理。
在步骤s203中，根据采集数据进行螺旋ct重建，得到重建图像。
可以理解的是，本发明实施例将通过交替光源螺旋ct扫描重建方法进行重建，其中，交替光源螺旋ct的扫描方式使采集数据物理信息量增加，重建算法将原始投影数据中的物理信息转化为可视图像信息。对于螺旋ct重建，通常采用数据重排方法或fdk解析重建方法对三维物体重建。这些重建方法均可拓展到交替光源螺旋ct重建方法中，以下列出四种易实施交替光源螺旋ct重建方法，具体地：
(1)重排解析重建方法：将交替光源螺旋ct数据映射到基准空间，并通过插值方法获得每一断层平行束ct数据，随后逐断层实施平行束ct解析重建。
(2)组合解析重建方法：由于光源位置在扫描过程中周期性变化，无法采用统一的解析重建方法。但可以对每一个光源扫描获得的数据子集分别进行fdk重建。由于同一光源相邻两次放射x射线位置对应角度间隔较大，这一重建为稀疏角度重建，单个光源重建图像可含有条状伪影，通过将各光源fdk重建图像叠加获得最终重建图像。
(3)迭代重建方法：在扫描中，尽管不同角度下光源位置不同，但仍然可以针对具体系统计算确定的系统矩阵，并采用统计迭代算法对三维图像重建。
(4)利用大量样本以有监督/无监督的方式训练针对具体系统的重建神经网络，利用训练后的神经网络进行三维图像重建。
为进一步说明交替光源螺旋ct的实施方法与优势，以下将给出一种具体交替光源螺旋ct实施例，本发明实施例的交替光源螺旋ct的光源位置，光源数以及几何结构不限于本实施例。具体包括：
1、交替光源螺旋ct系统结构实施(如图5所示，图5为侧视图)
在图5中，旋转轴到等距面探测器阵列垂直距离为dod＝400mm，其垂足位于面探测器中心，面探测器阵列由宽和高均为120mm的探测器单元组成，探测器总长ld＝1200mm，每排共10个探测器，探测器总高度hd＝360mm，z方向共3排探测器。该系统具有三个光源，其中，光源1位于旋转中心到探测器阵列垂线的延长线上，光源1到探测器的垂直距离为dsd1＝800mm。光源2，3分别位于光源1的上下两侧，光源2，3在光源1所在断层内投影与光源1完全重合，即其与探测器阵列垂直距离也为dsd2＝dsd3＝800mm，并且垂足位于探测器阵列z方向中心对称轴上。而在z方向，光源2，3相对于光源1分别偏移dz2和dz3，该偏移量可调。系统螺距为s＝200mm，该系统对物体扫描时，光源和探测器绕旋转旋转轴顺时针旋转，每周获取na＝30个角度下的衰减数据。其中β＝1,4,7,...,28的角度下的数据由光源1产生的x射线获得，β＝2,5,8,...29角度下的数据由光源2产生的x射线获得，β＝3,6,9,...,30角度下的数据由光源3产生的x射线获得。
在本实施例中，为清晰绘制采样点分布图，采用了较大的探测器尺寸和角度间隔。在实际情境下，一般采用更小的探测器并读取更多角度下探测器数据信息。
2、交替光源扫描对采集数据分布的影响分析
将交替光源ct采集数据映射到平行束ct数据空间分析。在本实施例中，使dz2和dz3保持相等，并从0mm逐渐增加到120mm。图6绘制了不同dz情况下交替光源ct数据分布情况，其中dz＝0mm时等效于光源1常亮即经典螺旋ct，作为对照组。从图6中可以观测到如下现象：当dz＝0mm时采集数据在theta-z空间的具有一定宽度的正比例线段内分布，这是螺旋扫描方式决定的。
但可以看到，在该分布区域内部，数据点分布不均匀，在其中部分区域出现较大的空白。当dz＝30mm时，采样点仍然分布在该的正比例线段区域内，所不同的是，由于光源在扫描过程中位置不断切换，此时该区域内数据点分布更为均匀，原先的空白区域也被数据点填充。当进一步增加dz＝80mm时，由于光源在z方向位置上下变化过大，导致原先的正比例线段在z方向宽度拓宽，数据采集点在区域内再次稀疏。
因此可以得出结论，合理的设置z方向(轴向)交替切换光源，可以使数据采集点具有较均匀的theta-z分布，从而使采集数据物理信息量增加。而实际光源z方向距离量量的选择，与螺距，探测器阵列高度，以及旋转一周采集角度数均有关，可通过程序仿真选取。
3、图像重建
在本实施例中，采用精确解析重建方法，首先对三个光源对应的采集数据子集分别进行解析重建，随后对三幅图像叠加得到最终重建图像。
4、其他交替光源螺旋ct实施例
上述实施例中光源组在z维度偏移，进而对采集数据高度z与采集数据角度theta之间分布关系优化。其他光源组设置还可以包括：
光源组具有相同的高度z，但在断层平面内位置不完全相同，图7提供了断层内交替式光源分布的俯视图。其中，光源可切向错开(图7(a))，三角形分布(图7(b))或呈其他更一般的分布方式(图7(c))。在断层内位置交替主要可优化射线距转轴距离t与旋转角度theta之间的分布关系。
光源组在z维度和断层内同时错开分布，优化基准空间三维数据点分布，如图3所示。
根据本发明实施例提出的交替光源x射线螺旋ct采样方法，通过在扫描过程中位置相近光源周期性快速交替切换，采集分布更为合理的数据，从而增加物理信息量，最终获得高质量重建图像，且交替光源ct系统在硬件构建和重建算法方面均容易实现；并使用逐断层平行束ct数据空间作为基准空间，将其他扫描方式获取的数据映射到该基准空间，进而分析扫描方式和系统结构的合理性。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的交替光源x射线螺旋ct采样装置。
图8是本发明一个实施例的交替光源x射线螺旋ct采样装置的结构示意图。
如图8所示，该交替光源x射线螺旋ct采样装置10包括：控制模块100、获取模块200和重建模块300。
其中，控制模块100用于在螺旋旋转扫描过程中，控制每个光源按预设顺序依次迅速交替周期性切换，使得每个数据采集角度下仅有一个光源处于发射x射线状态。获取模块200用于获取螺旋锥束ct的采集数据，并可在基准空间对采集数据几何分布分析。重建模块300用于根据采集数据进行螺旋ct重建，得到重建图像。本发明实施例的装置10可以使螺旋扫描采集数据分布更为合理，增加采集数据中所包含物理信息，在重建后可获得精度更高的重建图像，简单易实现，且可应用于无损检测、医疗诊断、安检等多个领域。
进一步地，在本发明的一个实施例中，控制模块100进一步用于采用一台x射线光机并对其发射x射线分光，使x射线从数个预设位置发射；并且在使用其中一支路射线时，使用铅层遮挡其他分支，通过调整铅层遮挡情况进行和光源的交替切换；或者，采用多头光源技术，从多个预设位置按设定顺序产生x射线。
进一步地，在本发明的一个实施例中，重建模块300进一步用于将交替光源螺旋ct数据映射到基准空间，并通过插值方法获得每一断层平行束ct数据，逐断层实施平行束ct解析重建，得到重建图像。
进一步地，在本发明的一个实施例中，重建模块300进一步用于对每一个光源扫描获得的数据子集分别进行fdk重建，其中，通过将各光源fdk重建图像叠加，得到重建图像。
进一步地，在本发明的一个实施例中，重建模块300进一步用于在扫描中，根据系统矩阵采用统计迭代算法对三维图像重建，得到重建图像。
进一步地，在本发明的一个实施例中，重建模块300进一步用于在扫描中，利用大量样本以有监督/无监督的方式训练针对具体系统的重建神经网络，利用训练后的神经网络进行三维图像重建。
需要说明的是，前述对交替光源x射线螺旋ct采样方法实施例的解释说明也适用于该实施例的交替光源x射线螺旋ct采样装置，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的交替光源x射线螺旋ct采样方法，通过在扫描过程中位置相近光源周期性快速交替切换，采集分布更为合理的数据，从而增加物理信息量，最终获得高质量重建图像，且交替光源ct系统在硬件构建和重建算法方面均容易实现；并使用逐断层平行束ct数据空间作为基准空间，将其他扫描方式获取的数据映射到该基准空间，进而分析扫描方式和系统结构的合理性。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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